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光也可以像流水一样穿过固体金属

2007-04-01 05:27 未知 据外国媒体报道 阅读 0
核心摘要: 一项2007年发表于《自然》杂志的研究发现,太赫射线(T射线)可以像液体一样几乎100%穿过带不规则小孔的金属片,即使孔面积仅占20%。该现象超越了传统光学理论,源于表面等离激元与局域模式的耦合。此后,这一发现推动了超材料、太赫通信和生物医学成像等领域的进展。本文回顾了原始实验,并更新了后续技术应用与物理机制解释。

当研究人员将远红外线照射到一块带有以准晶体和接近准晶体排列的小孔的金属片上时,几乎所有的光线都像液体一样毫无阻挡地穿过了这块金属薄片。

据外国媒体报道,最近研究人员在将一种特殊的光照射到一块有着许多不规则小孔的金属片时发现,照射在上面的所有光线都变得和液体一样,全部进入金属片中,然后找到路径从另一面照射出来。这一现象非常不可思议——想象一下,将一束光照射到厨房用的漏勺上时,部分光线会从孔中穿过,但仍有很大一部分被固体部分挡住。而《自然》杂志在2007年3月28日发表的一项实验结果表明,太赫射线(一种低频光,波段位于微波与红外线之间,有时称为T射线)在照射到金属薄片上时,可以通过上面的不规则小孔几乎全部穿过。

进行该实验的犹他大学物理学家Ajay Nahata说:“你可以让这些光100%地穿过金属片,即使上面的孔只占面积的20%。”虽然听起来简单,但理解如此多的光如何穿过这些孔仍是一个相对较新的理论。最早对此进行解释的是托马斯·埃布森,他在1998年公布了一项研究,指出穿过单个小孔的可见光量多于科学家原先的预期。自埃布森提出发现后,研究人员曾猜测该理论仅适用于可见光穿过规则形状的小孔(如正方形)。但Nahata及其同事在最新实验中证实,光可以穿过金属片表层,然后透过不规则小孔全部从另一侧钻出。

Nahata和同事也是最早研究太赫射线与金属及小孔之间反应的研究人员。由于可见光振荡太快难以测量,而科学家能精确测量低频太赫射线的频率。通过使用太赫射线,可以清晰看到光如何以及何时从金属片的小孔中出来——当光线照射到小孔上时,部分光直接穿过,另一部分则稍后出来。因为所有光波都趋于相似的活动特性,研究人员猜测所观察到的太赫射线活动特性在其他电磁波中也存在。

此后,这一发现催生了超材料与等离激元领域的深入研究。太赫射线因其独特的穿透性和非电离特性,在无线通信、安检成像、生物医学检测(如皮肤癌早期诊断)等方面展现出巨大潜力。例如,太赫波可穿透衣物和部分建筑材料,用于安全检查;在生物医学中,太赫波能区分不同组织的水分含量,有望实现无创的肿瘤边界识别。犹他大学的研究员们当初十分希望将太赫射线应用于无线通讯和国土安全,如今这些愿景正逐步成为现实。

核心学术观点:太赫射线能够通过亚波长小孔实现异常光学透射(Extraordinary Optical Transmission, EOT),其物理机制涉及表面等离激元与局域电磁模式的耦合,这为设计新型光子器件和传感平台提供了理论基础。

参考文献:
1. T. W. Ebbesen et al., Nature 391, 667–669 (1998).
2. A. Nahata et al., Nature 446, 517–521 (2007).
3. M. Tonouchi, Nature Photonics 1, 97–105 (2007).

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